Characterization of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers) : influence of defects on material properties

Abstract

Because of their high stiffness and strength in combination with low weight, fiber reinforced polymers (FRP) are used commonly. Though design, dimensioning and manufacturing of such structures varies a lot compared to monolithic light weight materials like aluminum alloys for example. Whilst dimensioning using finite element methods is no longer a big issue, the correlation between voids, which are always inherent in composite structures, and their effect on the types of failure of fiber com²posite components are still not entirely investigated. Two unidirectional carbon fiber reinforced plastic (UD-CFRP) laminates produced by hand lay-up technique and hot pressing, having different porosity content, and furthermore pultruded tubes are studied within this thesis. Therefore, the composites' architecture is analyzed (light microscopy, scanning electron microscopy and computed tomography) to identify and characterize existing defects within the microstructure of the samples. Furthermore the mechanical parameters like Young's, and shear modulus, stress and strain at failure are determined by bending and torsion tests. Thermal parameters like glass transition temperature and coefficient of thermal expansion are studied using DMA, DSC and TMA.<br />Bending and torsion tests with acoustic emission (AE) measurements reveal local damage much earlier than global failure. The different amounts of porosity of the two laminates underline the importance of the adequate curing cycle. The stiffness is 15% higher and the strength 16% higher in case of laminates with a lower fraction of porosities tested parallel to the fiber orientation. The step by step damage of the material using load cycles cannot be verified. Fractographic investigation of the damaged samples reveals the different appearance of the laminates compared to the pultruded tubes. Moreover typical fractographic features of the tension and compression face, like cusps, DAFF (Directly Attributed Fiber Failure), scallops, kinkband terraces and ply splitting of the bending sample are shown. Thermal testing illustrates the different area of application considering the temperature as the glass transition temperature of the tubes is around 80°C and therefore much lower compared to the glass transition temperature of the laminates (208°C). Though results of the glass transition temperature measured in three different ways show a wide scatter of the values of about 15%. Dilatometry (TMA) illustrates the orthotropic material behavior. Due to the negative coefficient of thermal expansion (CTE) of the carbon fiber the overall CTE of the material is 0mym/m°C parallel to the fiber direction and 28mym/m°C perpendicular to the fiber direction.

Faserverstärkte Kunststoffe werden aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und Festigkeit bei sehr geringem Gewicht immer häufiger eingesetzt. Die Auslegung, Berechnung und Fertigung solcher Strukturen unterscheidet sich aber wesentlich von derer monolithischer Leichtbauwerkstoffe wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen. Während die Dimensionierung mithilfe finiter Elemente Methoden mittlerweile kein Hindernis mehr darstellt, sind die Zusammenhänge der unterschiedlichen Fehler, welche in Verbund-Bauteilen immer vorhanden sind, und die daraus resultierende Versagensart noch nicht gänzlich erforscht. In der hier vorliegenden Arbeit wird deshalb das Versagen von zwei handlaminierten und heiß gepressten, unidirektional-kohlefaserverstärkten Kunststofflaminaten, mit unterschiedlichem Porenanteil (Lufteinschlüsse), sowie von pultrudierten Rohren erforscht. Hierfür werden die Materialien zunächst mithilfe von bildgebenden Methoden (Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Computer Tomographie) untersucht, um die vorhandenen Defekte identifizieren und charakterisieren zu können. Durch mechanische Prüfung (Biegung und Torsion) werden die Materialparameter wie der Elastizitäts- und Schubmodul, die Bruch-Biege- und Torsionsspannung, sowie Bruchdehnungen bestimmt. Mittels thermischer Analysen (DMA, DSC und TMA) werden Kennwerte wie die Glasübergangstemperatur und der Wärmeausdehnungskoeffizient bestimmt, um eine möglichst vollständige Materialcharakterisierung zu erhalten. Die mechanischen Versuchsreihen werden jeweils auch mit akustischen Emissionsmessungen durchgeführt, da das erste, lokale Versagen bei derartigen Materialien schon weitaus früher auftritt, als das globale. Der unterschiedliche Porengehalt der beiden Laminate zeigt die Wichtigkeit des richtigen Aushärtezyklus auf.<br />Ebenso sind die Steifigkeitswerte um bis zu 15% und die Festigkeitswerte um bis zu 16% höher im Falle geringerer Porosität. Der Schädigungsfortschritt in den Proben mit Hilfe von stufenweise ansteigenden Belastungszyklen kann nicht bestätigt werden.<br />Fraktographische Untersuchungen an geschädigten Proben zeigten das unterschiedliche Erscheinungsbild der pultrudierten Proben im Vergleich zu den laminierten Proben. Des Weiteren konnten die typischen unterschiedlichen Bruchmerkmale wie cusps, DAFF (Directly Attributed Fiber Failure) und scallops auf der Zugseite, und Knickbänder und Matrixbruch auf der Druckseite der Biegeproben gezeigt werden. Die thermische Analyse veranschaulicht das unterschiedliche Temperatur-Einsatzgebiet der beiden Materialien, da die Glasübergangstemperatur der Rohre mit 80°C weit unter der, der Laminate liegt (208°C). Jedoch zeigten die Ergebnisse der Glasübergangstemperatur der drei unterschiedlichen Messmethoden eine relative große Streuung von bis zu 15%. Dilatometerversuche (TMA) illustrieren das orthotrope Ausdehnungsverhalten des Materials. Aufgrund des negativen Ausdehnungskoeffizienten der Kohlefaser entlang der Faserrichtung beträgt die Gesamtausdehnung der Proben in diese Richtung 0mym/m°C und quer dazu 28mym/m°C.<br />